Possible retina damage potential of the femtosecond laser in situ keratomileusis (fs-LASIK) refractive surgery

Since the early 1990s, the laser in situ keratomileusis (LASIK) procedure has been successfully implemented in refractive eye surgery to correct ametropia. Rapid development in new laser technology enables the application of ultrashort laser pulses in the femtosecond (fs) regime that marks advancement in conventional standard procedures of refractive surgery by eliminating the use of mechanical knives. With the fs-LASIK procedure, ultrashort laser pulses focus in the near-infrared spectral range and create a laser-induced breakdown (LIB) that disrupts the corneal tissue. During the cutting process not all of the pulse energy is deposited in the cornea. Approximately half the remaining energy is propagated through the eye and reaches the retina, as well as the strongly absorbing layers behind.In the current standard refractive surgery procedures, such as photorefractive keratomileusis (PRK) and LASIK, retina damage is reduced because of the complete absorption of ultraviolet irradiation by corneal tissue during ablation.The aim of this project was to investigate possible retina damage under fs-LASIK conditions and to optimize external parameters during surgery, such as pulse energy and numerical aperture, to reduce risk potential. The process was simulated with a conventional fs-laser system integrated into an experimental set-up. To investigate the retina damage thresholds, in vivo investigations were carried out systematically on enucleated porcine eyes. Damage thresholds were determined in terms of macroscopic and histopathological observations. The results of these studies indicate possible retina damage.

ZusammenfassungSeit Anfang der 90er Jahre wird das Laser-In-situ-Keraomileusis-Verfahren (LASIK) als erfolgreiche ophthalmologische, refraktiv-chirurgische Methode zur Korrektur von Fehl sichtigkeiten am Patienten eingesetzt. Durch neue Lasertechnologien können ultrakurze Laserpulse mit einer Dauer von wenigen hundert Femtosekunden in der Augenchirurgie zum Einsatz kommen.Die Standardverfahren wie Photorefraktive Keratektomie und LASIK mit dem Excimerlaser stellen für das Auge kein Netzhautrisikopotential dar, da der Hauptanteil der UV-Strahlung des Lasers während des Ablationsprozesses vollständig vom cornealen Gewebe absorbiert wird. Der Einsatz der Femtosekunden-LASIK (fs-LASIK), bei der ultrakurze Pulse im Nahinfraroten zum Schneidprozess verwendet werden, birgt jedoch ein mögliches Risikoschädigungspotential für die Retina, da die klaren Augenmedien im Vorderabschnitt des Auges für diese Wellenlängen transparent sind.Beim fs-LASIK-Verfahren wird der Schneideffekt im Inneren der Cornea durch den im Fokus auftretenden optischen Durchbruch (LIB) erzielt. Eigene Vorversuche an enukleierten Schweineaugen ergaben, dass nur ca. 50% der Pulsenergie im Fokus deponiert werden, die restliche Energie des Laserstrahls propagiert weiter durch die klaren Augenmedien hindurch und trifft defokussiert auf die dahinter liegenden Schichten.Ziel dieser Studie war die Untersuchung des möglichen Netzhautschädigungspotentials unter fs-LASIK-Bedingungen und die mögliche Optimierung der externen Parameter, wie Pulsenergie und numerische Apertur. Der LASIK-Prozess wurde mit einem herkömmlichen Femtosekunden-Laser in einem experimentellen Versuchsaufbau simuliert.Bei der durchgeführten In-vitro-Studie am enukleierten Schweineauge wurde der „Worst case“ simuliert. Es wurde in der Cornea kein optischer Durchbruch initiiert, da die nicht-linearen Effekte im Bereich des Laserfokus aufgrund der lokalen Energiedeponierung die „Worst-case“-Schwellenwerte mindern würden.